太湖流域生態(tài)修復(fù)示范區(qū)水動力調(diào)控模式研究

　　摘要 通過建立貢湖灣生態(tài)修復(fù)區(qū)等比例縮放中尺度模型，同時在模型內(nèi)模擬示范區(qū)沉水植物分布，在不同季節(jié)從流域親水河調(diào)水入實體模型，研究模型對調(diào)入水的凈化時間和凈化效率，并總結(jié)生態(tài)修復(fù)區(qū)水動力調(diào)控模式。結(jié)果表明，水質(zhì)由Ⅴ類恢復(fù)到Ⅱ類春季約需要14 d，夏季約需要17 d，秋季約需要20 d。冬季由于大部分沉水植物無法生長，因此其凈化能力較差，水質(zhì)檢測20 d數(shù)據(jù)顯示仍無法恢復(fù)到調(diào)水前水質(zhì)。生態(tài)修復(fù)區(qū)水動力調(diào)控模式為春低秋常冬高夏循環(huán)。

　　關(guān)鍵詞 模型;水動力調(diào)控;水質(zhì);沉水植物;生態(tài)修復(fù)示范區(qū)

　　20世紀(jì)90年代起，貢湖水質(zhì)由《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類下降到V類，主要污染指標(biāo)為TN、TP類物質(zhì)。湖泊水質(zhì)改善和綜合治理方式包括控源截污、疏浚底泥、生態(tài)修復(fù)、引清釋污等。引清釋污作為受污染湖泊修復(fù)的一種有效手段，不僅加大了水體交換量、補給了湖泊水量，而且稀釋了污染物濃度，起到改善水質(zhì)的作用[1-4]。已有研究表明，引清調(diào)水能夠?qū)ξ廴舅h(huán)境起到明顯的改善效果。巢湖生態(tài)調(diào)水結(jié)果顯示，東半湖TN、CODMn、Chl-a濃度均顯著降低[5]。孫娟等[6]通過建立河網(wǎng)水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型引清調(diào)水改善城市內(nèi)河水環(huán)境，取得了良好的效果。2002年實施的引江濟太調(diào)水工程，在解決防洪除澇的水安全問題的同時，也顯著改善了太湖流域的經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境改善[7]。

　　關(guān)于沉水植物在水質(zhì)凈化和水生態(tài)修復(fù)中的作用目前已有很多研究，研究表明，影響湖泊水生植被生長的核心因子包括水位的高低及其變動范圍、水位變動的頻率、變動發(fā)生的時間、水位變動持續(xù)的時長以及變動的規(guī)律等[8-10]。貢湖生態(tài)修復(fù)區(qū)西北部島嶼眾多、水動力條件復(fù)雜，水體流動性差，換水周期長，易形成死水區(qū)使部分水域水質(zhì)惡化，不利于沉水植物的生長。因此，該研究通過對貢湖灣生態(tài)修復(fù)示范區(qū)進行1∶50等比例縮放，在示范區(qū)建立中尺度模型，開展水動力調(diào)控技術(shù)研究，從而確定生態(tài)修復(fù)示范區(qū)的最佳水動力調(diào)控模式;采用前期試驗所得出的調(diào)水方案和植物配置方案[11-12]，在中尺度模型內(nèi)開展不同季節(jié)的水動力調(diào)控試驗，根據(jù)模型內(nèi)水質(zhì)隨時間變化情況確定不同季節(jié)調(diào)水的水質(zhì)凈化所需要的時間和各水質(zhì)指標(biāo)的去除率，從而總結(jié)得出適宜生態(tài)修復(fù)示范區(qū)的水動力調(diào)控模式，為太湖流域生態(tài)修復(fù)示范區(qū)水質(zhì)水量調(diào)控提供理論依據(jù)和參考。

　　1 研究區(qū)域與研究方法

　　1.1 研究區(qū)域

　　該試驗的研究區(qū)域為太湖貢湖生態(tài)修復(fù)示范區(qū)，示范區(qū)面積2.32 km2(圖1)，開展研究期間調(diào)水水源為親水河，親水河位于示范區(qū)北部。共設(shè)置許仙港和典基港2個調(diào)水點，位置如圖1所示。示范區(qū)水流方向為自西向東，出口位于示范區(qū)東南部，出水入太湖。示范區(qū)與太湖聯(lián)通處通過閘門調(diào)控技術(shù)在調(diào)控示范區(qū)水位的同時向太湖輸送清水。根據(jù)示范區(qū)的地形地貌，該研究在示范區(qū)的東北角位置(圖1)建立了按1∶50比例等比例縮放的中尺度模型，北部2個箭頭分別模擬生態(tài)修復(fù)區(qū)從許仙港和典基港的引水放流，南部出水口。并根據(jù)示范區(qū)沉水植物種類、分布及覆蓋度調(diào)查結(jié)果，在中尺度模型內(nèi)模擬示范區(qū)沉水植物分布。

　　1.2 研究方法

　　在生態(tài)修復(fù)示范區(qū)構(gòu)建完整的生態(tài)系統(tǒng)，通過水動力調(diào)控機制，不僅能夠為水生植物生態(tài)系統(tǒng)提供良好的生長環(huán)境，同時能夠為太湖制造更多的清水(親水河水位高時自流補水進示范區(qū))。該試驗研究不同季節(jié)從流域親水河調(diào)水入實體中尺度模型，研究模型在春季、夏季、秋季、冬季對調(diào)入水的凈化時間和凈化效率，從而為生態(tài)修復(fù)區(qū)水質(zhì)水量調(diào)控模式提供參考依據(jù)。

　　調(diào)水方式：示范區(qū)設(shè)置調(diào)水點2個，模型西部入流口和東部入流口分別模擬許仙港和典基港;2個調(diào)水點調(diào)水流量均為25 m3/h;2個調(diào)水點同時連續(xù)調(diào)水1 h，1次/d。

　　此次試驗分為春季、夏季、秋季、冬季試驗，采用上文提到的調(diào)水方式連續(xù)調(diào)水5 d，正好完成一次換水，然后堵上出水口，靜置。調(diào)水期間每天采集水樣檢測水質(zhì)，共布置7個采樣點位，分別是西部入流口、東南部出流口、模型內(nèi)5個斷面的5個點位。模型靜置期間，采樣頻次為3 d/次，共布置5個采樣點，分別為模型內(nèi)5個斷面的5個點位。采集水樣檢測水質(zhì)指標(biāo)包括總氮(TN)、總磷(TP)、濁度、葉綠素a(Chl-a)。

　　2 結(jié)果與分析

　　2.1 模型內(nèi)不同季節(jié)水質(zhì)指標(biāo)變化

　　2.1.1 春季。春季調(diào)水前模型內(nèi)平均水質(zhì)為Ⅱ類，各水質(zhì)指標(biāo)分別為TP 0.028 mg/L、TN 0.600 mg/L、濁度10.520 NTU、Chl-a 3.290 mg/m3。調(diào)入水后模型內(nèi)各水質(zhì)指標(biāo)均有所增加，水質(zhì)從Ⅱ類變?yōu)榱英躅悾{(diào)水后各水質(zhì)指標(biāo)分別為TP 0.250 mg/L、TN 2.340 mg/L、濁度50.420 NTU、Chl-a 32.540 mg/m3。結(jié)果表明，TP較調(diào)水前增加7.93倍，TN較調(diào)水前增加2.90倍，濁度較調(diào)水前增加3.79倍，Chl-a較調(diào)水前增加8.89倍，水質(zhì)明顯變差。

　　2.1.2 夏季。夏季調(diào)水前模型內(nèi)平均水質(zhì)為Ⅱ類，各水質(zhì)指標(biāo)分別為TP 0.040 mg/L、TN 0.450 mg/L、濁度2.420 NTU、Chl-a 3.450 mg/m3。調(diào)入水后模型內(nèi)各水質(zhì)指標(biāo)均有所增加，水質(zhì)從Ⅱ類變?yōu)榱英躅悾{(diào)水后各水質(zhì)指標(biāo)分別為TP 0.340 mg/L、TN 3.550 mg/L、濁度40.560 NTU、Chl-a 36.580 mg/m3。與調(diào)水前水質(zhì)相比，調(diào)水后水質(zhì)明顯變差。

　　2.1.3 秋季。秋季調(diào)水前模型內(nèi)平均水質(zhì)為Ⅱ類，各水質(zhì)指標(biāo)分別為TP 0.020 mg/L、TN 0.290 mg/L、濁度11.540 NTU、Chl-a 0.200 mg/m3。調(diào)入水后模型內(nèi)各水質(zhì)指標(biāo)均有所增加，水質(zhì)從Ⅱ類變?yōu)棰躅悾{(diào)水后各水質(zhì)指標(biāo)分別為TP

　　0.252 mg/L、TN 2.050 mg/L、濁度50.260 NTU、Chl-a 37.200 mg/m3。與調(diào)水前水質(zhì)相比，調(diào)水后水質(zhì)明顯變差。

　　2.1.4 冬季。冬季調(diào)水前模型內(nèi)平均水質(zhì)為Ⅱ類，各水質(zhì)指標(biāo)分別為TP 0.034 mg/L、TN 0.560 mg/L、濁度6.500 NTU、Chl-a 2.340 mg/m3。調(diào)入水后模型內(nèi)各水質(zhì)指標(biāo)均有所增加，水質(zhì)從Ⅱ類變?yōu)棰躅悾{(diào)水后各水質(zhì)指標(biāo)分別為TP 0.210 mg/L、TN 1.550 mg/L、濁度60.540 NTU、Chl-a 17.780 mg/m3。與調(diào)水前水質(zhì)相比，調(diào)水后水質(zhì)明顯變差。

　　2.2 靜置期間模型內(nèi)水質(zhì)指標(biāo)變化

　　連續(xù)調(diào)水5 d后，模型處于靜置狀態(tài)。靜置期間，模型內(nèi)各水質(zhì)指標(biāo)在不同季節(jié)呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(圖2)。試驗第5天，受調(diào)入水質(zhì)影響，各季節(jié)TP濃度均達到試驗期間最大值。

　　2.2.1 TP。從試驗第8天開始，春季、夏季、秋季TP濃度均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，其中夏季下降幅度最大，春季次之，秋季最小。整個模型靜置期間，冬季TP濃度無明顯下降趨勢。試驗第14天，夏季TP指標(biāo)由劣Ⅴ類恢復(fù)到Ⅱ類，之后維持在Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn);試驗第17天，春季TP指標(biāo)由劣Ⅴ類恢復(fù)到Ⅱ類，之后維持在Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn);試驗第20天，秋季TP指標(biāo)由劣Ⅴ類恢復(fù)到Ⅱ類，之后維持在Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn);冬季TP指標(biāo)在整個模型靜置期間基本無變化(圖2)。

　　2.2.2 TN。從試驗第8天開始，春季、夏季、冬季TN濃度均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，其中夏季下降幅度最大，春季次之，冬季最小。秋季TN濃度在試驗第11天時呈現(xiàn)小幅上升，之后持續(xù)下降。試驗第14天，夏季TN指標(biāo)由劣Ⅴ類恢復(fù)到Ⅱ類，之后維持在Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn);試驗第17天，春季TN指標(biāo)由劣Ⅴ類恢復(fù)到Ⅱ類，之后維持在Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn);試驗第20天，秋季TN指標(biāo)由劣Ⅴ類恢復(fù)到Ⅱ類，之后維持在Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn);冬季TN指標(biāo)在整個模型靜置期間下降趨勢不明顯，到試驗結(jié)束時，TN指標(biāo)仍處于Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)(圖2)。

　　2.2.3 濁度。從試驗第8天開始，夏季、秋季、冬季濁度指標(biāo)均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，其中夏季下降幅度最大，冬季次之，秋季最小。春季濁度指標(biāo)在試驗第8天時呈現(xiàn)小幅上升，之后持續(xù)下降。到試驗結(jié)束時，4個季節(jié)濁度指標(biāo)均下降到15 NTU以下，下降幅度明顯(圖2)。

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